СВЧ и Антенны

Если бы эти элементы были широко разделены и управлялись в определенной амплитуде и фазе, то каждый из них действовал бы независимо, поскольку этот элемент известен. Однако из-за взаимного взаимодействия между их электрическим и магнитным полями из-за близости токи в каждом элементе являются не просто функцией приложенного напряжения (в соответствии с его импедансом рабочей точки), а зависят от токов в других соседних элементах , Это теперь явление ближнего поля, которое не может быть правильно учтено, например, с использованием формулы передачи Friis. Этот эффект ближнего поля создает различный набор токов на клеммах антенны, что приводит к искажениям в диаграммах направленности дальнего поля; однако искажения могут быть устранены с помощью простого набора сетевых уравнений [13].Токи и напряжения токов элементов могут быть связаны друг с другом с использованием концепции взаимного импеданса между каждой парой антенн так же, как взаимная импеданс описывает напряжение, индуцированное в одной индуктивности током через соседнюю катушку, соединенную с ней через взаимную индуктивность M. Общий импеданс между двумя антеннами определяется [14] как:где ii - текущий ток в антенне i и vj - это напряжение, индуцированное на разомкнутой точке подачи антенны j из-за i1, когда все остальные токи ik равны нулю. Взаимные провалы можно рассматривать как элементы симметричной матрицы квадратного импеданса Z. Заметим, что диагональные элементы, - просто импедансы точек движения каждого элемента.Используя это определение, напряжения, присутствующие в точках подачи набора связанных антенн, могут быть выражены как умножение матрицы импеданса за вектором токов. Написано в виде дискретных уравнений, что означает:где:vi- это напряжение на терминалах антенны iii - текущий ток между терминалами антенны iZii - импеданс движущей точки антенны iZij- взаимный импеданс между антеннами i и j.Рисунок 9. Как и в случае взаимных индуктивностей,Это является следствием взаимности Лоренца. Для антенного элемента i, не связанного ни с чем (с открытым замыканием), можно написать ii = 0. Но для элемента i, который закорочен, ток генерируется на этом коротком, но не допускается напряжение, поэтому соответствующий vi = 0. Так обстоит дело, например, с так называемыми паразитными элементами антенны Яги-Уды, где сплошной стержень можно рассматривать как дипольную антенну, закороченную по ее точке подачи. Паразитные элементы - это неэкранированные элементы, которые поглощают и переизлучают радиочастотную энергию в соответствии с индуцированным током, рассчитанным с использованием такой системы уравнений.С определенной геометрией возможно, что взаимный импеданс между соседними антеннами равен нулю. Так обстоит дело, например, между скрещенными диполями, используемыми в антенне турникета.Антенная антенна (или массивная антенна) представляет собой набор из нескольких подключенных антенн, которые работают вместе как одна антенна для передачи или приема радиоволн. Отдельные антенны (называемые элементами) обычно подключаются к одному приемнику или передатчику с помощью фидерных линий, которые подают питание элементам в конкретном фазовом соотношении. Радиоволны, излучаемые каждой отдельной антенной, объединяются и накладываются друг на друга, складываясь вместе (мешая конструктивно) для усиления мощности, излучаемой в желаемых направлениях, и отмены (деструктивно разрушающейся) для уменьшения мощности, излучаемой в других направлениях. Аналогично, при использовании для приема отдельные радиочастотные токи от отдельных антенн объединяются в приемнике с правильным соотношением фаз для усиления сигналов, полученных от желаемых направлений, и отмены сигналов от нежелательных направлений. Более сложные антенны массива могут иметь несколько модулей передатчика или приемника, каждый из которых подключен к отдельному антенному элементу или группе элементов.Антенная решетка может достигать более высокого коэффициента усиления (направленности), то есть более узкого пучка радиоволн, чем может быть достигнут одним элементом. В общем, чем больше количество используемых отдельных антенных элементов, тем выше коэффициент усиления и более узкий луч. Некоторые антенные решетки (такие как радары с фазированной армией) состоят из тысяч отдельных антенн. Массивы могут быть использованы для достижения более высокого коэффициента усиления, чтобы обеспечить разнесение пути (также называемое MIMO), что повышает надежность связи, отменяет помехи от конкретных направлений, направляет радиолуч электронным способом в разные стороны и для радиопеленгации. Термин антенная решетка наиболее часто означает ведомую матрицу, состоящую из нескольких идентичных ведомых элементов, все соединенные с приемником или передатчиком, часто полуволновые диполи, подаваемые в фазе. Паразитная матрица состоит из одного управляемого элемента, связанного с линией подачи, и других элементов, которые не являются паразитными элементами. Обычно это другое имя для антенны Яги-УдыВ антенной решетке (набор из нескольких идентичных антенн, которые работают вместе как одна антенна), направленность всего массива является мультипликативной суммой функции направленности отдельной антенны с математическим выражением, известным как фактор массива AF, который обычно зависит от местоположения, возбуждения и фазы каждого антенного элемента. [9] Общая функция направленности задается формулойТелесный угол пучка, представленный как Ωλ, определяется как телесный угол, через который протекает вся энергия, если интенсивность излучения антенны была постоянной при ее максимальном значении. Если известен телесный угол пучка, то направленность может быть рассчитана каккоторый просто вычисляет отношение телесного угла пучка к телесного угла сферы.Телесный угол луча может быть аппроксимирован для антенн с одним узким основным лепестком и очень незначительными минорными лепестками путем простого умножения ширины луча половинной мощности (в радианах) в двух перпендикулярных плоскостях. Ширина луча половинной мощности - это просто угол, в котором интенсивность излучения составляет по меньшей мере половину максимальной интенсивности излучения.Те же вычисления могут быть выполнены в градусах, а не в радианах [9]:где - ширина луча половинной мощности в одной плоскости (в градусах) и - ширина луча половинной мощности в плоскости под прямым углом к другой (в градусах).В плоских массивах лучшее приближение [9]Для антенны с коническим (или приблизительно коническим) пучком с шириной луча половинной мощности в градусах 𝜙, тогда элементарное интегральное исчисление дает выражение для направленности какРасчетантенныРасчет диполяОпределим длину диполя l в воздухе для частоты f=900 МГц.В качестве держателя антенны используем стеклотекстолит FR4 cотносительной диэлектрической проницаемостью 4.8 и толщиной 1.5 мм.Определим длину четвертьволнового трансформатора на стеклотекстолите Однако данная длина вычислена приближенно.Точные расчеты дают значение 4.2 см.Проведем моделирование антенныв программе HFSS:Для ширины полоска антенны 10 мм и длины одного лепестка 67 мм. Для ширины полоска антенны 5 мм и длина лепестка антенны 67мм.Расчетсогласующейлинии50 омная линия 1/4λДелитель мощности на 2.Моделирование коллинеарной антенныИз рассчитанных элементов можно нарисовать полный вид антенны и провести ее моделирование в HFSS.Приведем расчет из 4 элементов и металлического экрана Как видно из рисунка согласование лучше на частоте 800 МГц, что связано с с взаимодействием антенн и влиянием экрана.Для согласования на 900 МГц уменьшим размер лепестка антенны до 63 мм, отодвинем экран ниже на 4 мм.Получим согласование на частоте 900 МГц.Выводы1. Проведен расчет основных элементов антенны.2. Разработана коллинеарная антенна. Список литературы 1Stutzman, Warren; Thiele, Gary (1981). Antenna Theory and Design.John Wiley & Sons, Inc. pp. 212–220.  Huggins, John. "Of fields and feedpoints". Hamradio.me. Retrieved 13 January 2017.2Huggins, John. "Of fields and feedpoints". Hamradio.me. Retrieved 13 January 2017. 3Kraus, John D. (1988). Antennas (2nd ed.). McGraw-Hill. p. 2134 Silver, Samuel (1984). Microwave Antenna Theory and Design. pp. 98&ndash, 99.5 Amlaner, Charles J. Jr. (March 1979). "The design of antennas for use in radio telemetry". A Handbook on Biotelemetry and Radio Tracking: Proceedings of an International Conference on Telemetry and Radio Tracking in Biology and Medicine, Oxford, 20–22 March 1979. Elsevier.p. 254. Retrieved December 5, 20146 Reflections and standing wave ratio Archived 2007-05-08 at the Wayback Machine., 2011-01-307 Silver, Samuel (1949). Microwave Antenna Theory and Design. pp. 92&ndash, 94.8 Lee, Kai Fong (1984). Principles of Antenna Theory.John Wiley & Sons Ltd. pp. 29, 42. 9Balanis, Constantine A. (2011). Modern Antenna Handbook.John Wiley and Sons. pp. 2–1.10Baluns: What They Do And How They Do It (W7EL) http://www.eznec.com/Amateur/Articles/Baluns.pdf11Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna Theory and Design.John Wiley and Sons. pp. 74–7512Toroid Cores for 1:4 Baluns (DG3OBK) "Archived copy". Archived from the original on 2011-12-22.Retrieved 2012-12-29.13 Chakravorty, Pragnan; Mandal, Durbadal (2016). "Radiation Pattern Correction in Mutually Coupled Antenna Arrays Using Parametric Assimilation Technique". IEEE Transactions on Antennas and Propagation. PP (99): 1–1. 14Kai Fong Lee (1984). Principles of Antenna Theory.John Wiley and Sons Ltd.